论文部分内容阅读
基于可再生能源的分布式发电系统(Renewable Energy based Distributed Power Generation System, RE-DPGS)是应对能源危机和环境污染的重要途径之一。作为可再生能源发电单元与电网之间的能量变换接口，LCL型并网逆变器将直流电转化为高质量的交流电并馈入电网。谐振阻尼和电流控制是LCL型并网逆变器的两大关键问题，解决好这些问题对RE-DPGS的安全、稳定和高效运行具有重要的意义。本文研究LCL型并网逆变器的有源阻尼和电流控制技术，主要的研究内容如下： 首先针对采用电容电流反馈有源阻尼的LCL型并网逆变器，以并网电流为被控量，建立数字控制系统的数学模型。基于该模型，分析控制延时对电容电流反馈有源阻尼的影响及由此导致的对系统稳定性的影响。指出电容电流反馈有源阻尼等效为在滤波电容上并联一个虚拟阻抗，该阻抗由电阻和电抗并联构成。虚拟电抗会改变LCL滤波器的谐振频率，当实际谐振频率高于1/6的采样频率fs(fs/6)时，虚拟电阻呈负阻特性，此时环路增益含有一对不稳定极点。从而，在LCL滤波器的谐振频率fr和fs/6这两个频率处，环路增益必须满足严格的幅值裕度要求，才能保证并网逆变器稳定。然而，当fr接近fs/6时，幅值裕度要求难以满足，并网逆变器容易不稳定；尤其是当fr=fs/6时，幅值裕度要求无法满足，因而并网逆变器无法稳定。 为了提高fr接近fs/6时LCL型并网逆变器的稳定性，提出电容电流反馈有源阻尼的优化设计与改进方法：1)通过分析电网阻抗对幅值裕度的影响，得到最优的电容电流反馈系数。采用这个反馈系数时，除了fr=fs/6之外，并网逆变器都能保持稳定。进一步地，为了提高fr=fs/6时并网逆变器的稳定性，提出环路增益的相位滞后补偿方法。2)提出电容电流即时反馈有源阻尼方法以减小有源阻尼的计算延时并改善其阻尼效果，使其在更宽的频率范围内呈正阻特性，从而消除环路增益的不稳定极点。这样，无需满足严格的幅值裕度要求，幅值裕度的要求变得简单，并网逆变器更容易稳定。最后，研制一台6kW单相LCL型并网逆变器的原理样机，并通过实验验证上述两种方法的有效性。 针对 LCL型并网逆变器的三种电流控制策略，即并网电流控制、逆变器侧电感电流控制和加权平均电流控制，通过控制框图的等效变换，建立以并网电流为被控量加上电容电流反馈有源阻尼的通用数学模型。基于该模型，从并网电流稳定性的角度对不同电流控制策略进行比较分析。分析指出，控制逆变器侧电感电流时，并网电流和逆变器侧电感电流的稳定性是一致的；控制加权平均电流时，尽管控制系统可由三阶降至一阶，加权平均电流很容易稳定，但并网电流和逆变器侧电感电流都是临界稳定。并且，通用数学模型还有助于实现不同电流控制策略中控制参数的统一设计，从而简化设计过程。最后，在单相6kW的原理样机上，通过实验验证上述理论分析的正确性。 为了减小磁芯的体积，提出 LCL滤波器的磁集成方法。建立集成电感的等效磁路模型，分析由于公共磁芯磁阻不为零导致的耦合现象及其对 LCL滤波器滤波特性的影响。通过电路的等效变换，指出采用耦合电感的LCL滤波器可等效为单L滤波器和LCL滤波器的并联。尽管LCL滤波器支路具有很强的高频谐波衰减能力，但开关谐波仍有可能通过单L滤波器支路进入电网。为了满足并网电流谐波标准，通过选取合适的公共磁芯截面积和磁芯材料，将耦合程度降低至可以接受的范围。最后，在单相6kW和三相20kW的LCL型并网逆变器原理样机上，分别通过实验验证磁集成方法的有效性。